嵌入式系统设计与应用

嵌入式系统设计与应用

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课程名称：课程名称：嵌入式系统设计与应用

总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12 36学时12学时总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12学时教材：嵌入式系统设计教程》教材：《嵌入式系统设计教程》电子工业出版社马洪连参考书：参考书：1、《嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 2、《ARM体系结构与编程》清华大学出版社杜春雷编著ARM体系结构与编程体系结构与编程》嵌入式系统设计与实例开发—ARM ARM与C/OS3、《嵌入式系统设计与实例开发ARM与μC/OS-Ⅱ》清华大学出版社王田苗、魏洪兴编著清华大学出版社王田苗、ARM嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构》4、《ARM嵌入式微处理器体系结构》北航出版社、马忠梅等著. 北航出版社、马忠梅等著. 张石．ARM嵌入式系统教程嵌入式系统教程》5、张石．《ARM嵌入式系统教程》．机械工业出版2008年社．2008年9月

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课程内容

绪论：绪论：

1）学习嵌入式系统的意义2）高校人才嵌入式培养情况嵌入式系统设计（实验课）3）嵌入式系统设计（实验课）内容安排

第1章嵌入式系统概况

1.1 嵌入式系统的定义1.2 嵌入式系统的应用领域及发展趋势1.3 嵌入式系统组成简介

第2章嵌入式系统的基本知识

2.1 2.2 2.3 嵌入式系统的硬件基础嵌入式系统的软件基础ARM微处理器的指令系统和程序设计ARM微处理器的指令系统和程序设计

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第3章

3.1 3.2 3.3

基于ARM架构的嵌入式微处理器基于ARM架构的嵌入式微处理器ARM

概述嵌入式微处理器的组成常用的三种ARM ARM微处理器介绍常用的三种ARM 微处理器介绍

第4章

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

嵌入式系统设计

概述嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统接口设计嵌入式系统人机交互设备接口嵌入式系统的总线接口和网络接口设计嵌入式系统中常用的无线通信技术

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第5章嵌入式系统开发环境与相关开发技术

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

6.1 6.2 6.3 6.4 概述嵌入式系统的开发工具嵌入式系统调试技术嵌入式系统开发经验嵌入式系统的Bootloader Bootloader技术嵌入式系统的Bootloader技术μC/OS-II操作系统概述C/OS-II操作系统概述ADS开发环境ARM ADS开发环境C/OS-II操作系统在ARM系统中的移植操作系统在ARM μC/OS-II操作系统在ARM系统

中的移植基于μC/OS-II操作系统的应用开发基于μC/OS-II操作系统的应用开发嵌入式μC/OS-II操作系统及应用第6章# 嵌入式μC/OS-II操作系统及应用

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嵌入式Linux Linux操作系统及应用第7章嵌入式Linux操作系统及应用

嵌入式Linux Linux操作系统概述7.1 嵌入式Linux操作系统概述嵌入式Linux Linux 操作系统的开发工具7.2 嵌入式Linux操作系统的开发工具7.3 嵌入式Linux操作系统的内核编译及驱动嵌入式Linux操作系统的内核编译及驱动Linux 程序的开发嵌入式Linux Linux操作系统的应用开发7.4 嵌入式Linux操作系统的应用开发

CE操作系统的应用与开发第8章Windows CE操作系统的应用与开发CE操作系统概述8.1 Windows CE操作系统概述CE操作系统的开发工具8.2 Windows CE操作系统的开发工具CE操作系统内核编译及驱动程8.3 Windows CE操作系统内核编译及驱动程序的开发基于Windows CE操作系统的应用开发8.4 基于Windows CE操作系统的应用开发第9章开发应用实例

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1）学习嵌入式系统的意义

市场需求－嵌入式开创了电子新纪元，采用嵌入式技市场需求－嵌入式开创了电子新纪元，采用嵌入式技开创了电子新纪元嵌入式术的微处理器应用于各类电子产品中。术的微处理器应用于各类电子产品中。目前每一分钟全世界就有10块以上的基于ARM的微处理器芯片被买走，10块以上的基于ARM的微处理器芯片被买走世界就有10块以上的基于ARM的微处理器芯片被买走，每卖出一部装有ARM芯片的手机，ARM公司能获利ARM芯片的手机公司能获利1 每卖出一部装有ARM芯片的手机，ARM公司能获利1元人民币，这样每年坐收2亿美金，该公司不到800 800人民币，这样每年坐收2亿美金，该公司不到800人。企业人才需求－软硬件设计人才，应用开发人才，综合企业人才需求－软硬件设计人才，应用开发人才，性人才，……。性人才，……。技术发展趋势要求－技术发展趋势要求－8位、16位、32位，实时操作系统16位32位ARM的嵌入式微处理器兼具有32位的计算和16位的低ARM的嵌入式微处理器兼具有32位的计算和16位的低的嵌入式微处理器兼具有32位的计算和16 功耗能力。处理器的内核向设计商开放，功耗能力。处理器的内核向设计商开放，避免了商业不信任和安全隐患，ARM微处理器开发工具比较成熟微处理器开发工具比较成熟，信任和安全隐患，ARM微处理器开发工具比较成熟，技6 术力量相对薄弱的中国研发者容易上手。术力量相对薄弱的中国研发者容易上手。

2）开展嵌入式系统教学的必要性

由于诸多原因，由于诸多原因，我国计算机行业在过去未能赶上世界范围技术发展的前几次机遇。能赶上世界范围技术发展的前几次机遇。当我们意识到应组织发展本国计算机产业时，们意识到应组织发展本国计算机产业时，微软已在PC软件上处于世界垄断地位，PC软件上处于世界垄断地位已在PC软件上处于世界垄断地位，我们只得在软件汉化等“小范围“徘徊，软件汉化等“小范围“徘徊，对计算机系统软件虽偶有出击，但总难突重围。21世纪之初，件虽偶有出击，但总难突重围。21世纪之初，世纪之初微软王国已从登峰造极走向地位下滑的后PC PC时微软王国已从登峰造极走向地位下滑的后PC 时PC时代是一个嵌入式系统的网络时代，时代是一个嵌入式系统的网络时代代。后PC 时代是一个嵌入式系统的网络时代，嵌入式技术将主宰后PC时代。由于其应用广，PC 时代嵌入式技术将主宰后PC时代。由于其应用广，领域特色突出，谁也无力独霸这一市场。领域特色突出，谁也无力独霸这一市场。互联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的高速发展，速发展，已为我国开发嵌入式产品造就了广大7 市场。市场。

因此，因此，我国信息产业的相关人员该牢牢抓住这一大好机遇，找准发展点，这一大好机遇，找准发展点，在新一轮嵌入式技术上，下大力冲刺一番，定能使我国IT IT 技术迈上术上，下大力冲刺一番，定能使我国IT技术迈上一个台阶。总之，目前嵌入式技术是中国IT IT发展一个台阶。总之，目前嵌入式技术是中国IT发展的最难得的机遇。的最难得的机遇。人才奇缺! 人才奇缺!

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3）高校人才嵌入式培养情况

人才培养：专业、课程设置、师资落后、人才培养：专业、课程设置、师资落后、设备不先进；先进；嵌入式系统：嵌入式系统：没有专门的嵌入式系统专业或课程体系计算机专业：计算机专业：偏软电子、自动化专业：电子、自动化专业：偏硬9

嵌入式系统教学的特点

综合性：涉及电子、计算机、综合性：涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理、专业知识，综合性强，可包括微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。机设计、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。软件、硬件设计的完美结合。基础性：可作为计算机、电工电子、基础性：可作为计算机、电工电子、自动控制等专业的基础平台课实践性：实践性：实验是嵌入式系统教学的重要环节

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嵌入式系统教学的目标

目标：塑造基础理论与能力相结合的教学模式，目标：塑造基础理论与能力相结合的教学模式，根据学习对象的学习能力、教学目标、根据学习对象的学习能力、教学目标、教学资源等情况整合多层次的教学内容和方法，源等情况整合多层次的教学内容和方法，真正建设和培育自身的嵌入式教学体系和教学能力，建设和培育自身的嵌入式教学体系和教学能力，为企业输送专业水平、为企业输送专业水平、职业技能兼备的优秀人才。原则：开放式的课程设计思路，原则：开放式的课程设计思路，从企业实际用人需求出发，分析现阶段嵌入式相关产业领域、人需求出发，分析现阶段嵌入式相关产业领域、行业人才需求特点及发展趋势；同时，行业人才需求特点及发展趋势；同时，结合院校自身专业特长进行课程设置。校自身专业特长进行课程设置。

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明确的定位

嵌入式系统课程知识点多，嵌入式系统课程知识点多，让学生在短短32、48、64课时内完全掌握嵌入式系统的32、48、64课时内完全掌握嵌入式系统设计方法是不现实的目标：通过嵌入式系统的学习，目标：通过嵌入式系统的学习，让学生能够掌握嵌入式系统设计的基本知识和开发方法，达到“入门”方法，达到“入门”手段：通过课堂讲解，手段：通过课堂讲解，让学生掌握嵌入式系统基本知识，通过动手实践，系统基本知识，通过动手实践，让学生掌握嵌入式系统设计开发方法

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嵌入式系统设计（实验课）5）嵌入式系统设计（实验课）内容安排

三个层次，这三个层次分别是：三个层次，这三个层次分别是：基本知识部分，目的有三：1）基本知识部分，目的有三：让学生了解（认识）（1）让学生了解（认识）嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程。发环境与流程。让学生熟悉（某一种）（2）让学生熟悉（某一种）嵌入式系统开发工具掌握实验开发工具的操作方法及使用，（3）掌握实验开发工具的操作方法及使用，熟悉软件编程环境，为下二个层次实验做准备。编

程环境，为下二个层次实验做准备。基础技能部分，2）基础技能部分，目的是让同学掌握基本的嵌入式程序开发，可以根据实验指导书内容进行实验的调试，开发，可以根据实验指导书内容进行实验的调试，能读懂实验源程序。懂实验源程序。综合应用部分，3）综合应用部分，目的在于综合运用同学在基础技能部13 分所学，创造性地进行综合应用。分所学，创造性地进行综合应用。

第一章概论嵌入式系统是以应用为中心，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且在软、硬件方面可进行裁剪，为基础，并且在软、硬件方面可进行裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。用户的应用程序等四个部分组成。以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这主要包括：术提出新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，此外，多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。烈的市场竞争。14

嵌入式系统的概念

随着计算机技术的飞速发展，随着计算机技术的飞速发展，逐渐形成了计算机系统的两大分支：系统的两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统。通用计算机系统的硬件以标准化形态出现，通用计算机系统的硬件以标准化形态出现，它通过安装不同的软件满足各种不同的要求。过安装不同的软件满足各种不同的要求。其典型的产品就是PC PC机品就是PC机。嵌入式计算机系统则是根据具体应用对象，嵌入式计算机系统则是根据具体应用对象，软、硬件采用量体裁衣方式定制的，硬件采用量体裁衣方式定制的，不以一般计算机形态出现的专用计算机系统。出现的专用计算机系统。嵌入式系统的软件固化在硬件系统中，与硬件形成一个不可分割的整体，件系统中，与硬件形成一个不可分割的整体，它所执行的功能也是面向特定的应用，很难通用。其外形、行的功能也是面向特定的应用，很难通用。其外形、尺寸、功能、功耗等都受限于应用对象的设计需求，尺寸、功能、功耗等都受限于应用对象的设计需求，15 因而不可能有一个标准化的设计。（P1）。（书因而不可能有一个标准化的设计。（书P1）

在未来的社会中，在未来的社会中，使用嵌入式系统的情况会越来越多。人们可以不接触计算机，会越来越多。人们可以不接触计算机，但是不能不接触嵌入式系统的情况是不存在的。能不接触嵌入式系统的情况是不存在的。嵌入式可能存在于生活的各个角落，式可能存在于生活的各个角落，个人家庭可能就是通过一个嵌入式系统控制中心，就是通过一个嵌入式系统控制中心，管理家电来控制家庭和外界网络的连接，来控制家庭和外界网络的连接，让人们的生活更为方便；出门旅行的时候，更为方便；出门旅行的时候，在旅店的门把手里面安装有电子识别控制系统，里面安装有电子识别控制系统，利用嵌入式系统根据旅客手上的特征，判断是否应该开门；统根据旅客手上的特征，判断是否应该开门；在坐车的时候，汽车电脑可以通过GPS来判断在坐车的时候，汽车电脑可以通过来判断自己的具体位置，自己的具体位置，利用嵌入式智能系统判断应该走哪条路比较方便。该走哪条路比较方便。

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嵌入式系统的特征

1）功耗低、体积小、具有专用性2）实时性强、系统内核小

RTOS: Real Time Operating System 实时操作系统EOS: Embedded Operation System 嵌入式操作系统

3）创新性和高可靠性4）高效率地设计5）需要开发环境和调试工具

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嵌入式系统发展历程

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1.2 嵌入式系统的应用领域及发展

计算机将变得小巧玲珑，藏身在任何地方, 又消失在所有地方；功能强大, 无影无踪，计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写纸上等等，随用随取、伸手可及

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嵌入式系统应用领域

信息家电智能玩具

工控设备

移动计算

智能仪表

现代嵌入式应用

通信设备

汽车电子电子商务

军用电子

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典型系统：典型系统：采样控制系统

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典型系统：典型系统：飞行控制系统

响应命令操作系统接口

传感信息

状态估计

空中交通控制

导

航虚拟飞机状态估计飞行管理

状态估计

飞行控制

空气数据

飞机

物理飞机

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典型系统：典型系统：实时信号处理系统

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典型应用领域：典型应用领域：信息家电

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典型应用领域：典型应用领域：普适计算

移动终端移动信息发布可穿戴设备普适计算传感器网络智能教室

信息设备

智能环境

远程医疗诊断

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典型应用：典型应用：车载综合管理系统

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嵌入式系统的发展趋势

面对嵌入式技术与Internet技术的结合，嵌入式系统的研究和应用在飞速发展。1、更加强大的开发工具和操作系统支持。2、网络化。3、新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算法，降低功耗、尺寸和软硬件成本。4、提供更加友好的多媒体人机交互界面。5、软件开发过程标准化。

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1.3 嵌入式系统基本组成

嵌入式系统架构：

嵌入式应用应用编程接口API 嵌入式操作系统外围设备嵌入式处理器

嵌入式系统软硬件框架

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嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外围设备接口的嵌入式计算机系统和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。执行装置接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。1．嵌入式计算机系统的硬件层．硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O 接口（A/D、D/A、I/O等）。硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心的，包含有电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应用程序都固化在模块的ROM中。（1）嵌入式微处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于系统设计趋于小型化、高效率和高可靠性。嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中。

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嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令集系统CISC （Complex Instruction Set Computer, CISC）。嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。即使在同一体系中，也可以具有不同的时钟频率、数据总线宽度、接口和外设。目前没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。（2）存储器嵌入式系统的存储器包含Cache、主存储器和辅助存储器，用来存放和执行代码。①Cache是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存储器阵列，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，提高微处理器和主存之间的数据传输速率，使处理速度更快，实时性更强。31 Cache一般集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的存储容量大小依不同处理器而定。②主存储器用来存放系统和用户的程序及数据，是嵌入式微处理器能直接访问的存储器。主存储器包含有ROM和RAM，可以位于微处理器的内部或外部。常用的ROM类存储器有NOR Flash、EPROM和PROM等，RAM 类存储器有SRAM、DRAM和SDRAM等，容量为256KB～1GB。③辅助存储器通常指硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD 卡等，用来存放大数据量的程序代码或信息，一般容量较大，但读取速度与主存相比要慢一些。（3）通用设备接口和I/O接口嵌入式系

统通常具有与外界交互所需要的通用设备接口，如GPIO、A/D（模／数转换接口）、D/A（数／模转换接口）、RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。

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2．中间层．中间层也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开来。BSP作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的软件层次结构，BSP需要为不同的操作系统提供特定的硬件接口形式。BSP使上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。BSP BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。BSP一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入／输出操作和硬件设备的配置等功能。

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（1）嵌入式系统硬件初始化系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次可以分为片级初始化、板级初始化和系统级初始化3个主要环节。①片级初始化是一个纯硬件的初始化过程，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态设置成系统所要求的工作状态。②板级初始化是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程，完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化，设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。③系统级初始化主要进行操作系统的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。

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（2）硬件相关的设备驱动程序BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。3．系统软件层．系统软件层通常包含有实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。（1）嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）

EOS负责嵌入式系统的软件、硬件的资源分配、任务调度，控制协调。

EOS除具备了一般操作系统最基本的任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等功能外，还具有如下特点：强实时性；支持开放性和可伸缩性的体系结构，具有可裁减性；提供统一的设备驱动接口；提供操作方便、简单、友好的图形GUI和图形界面；支持TCP/IP 协议及其他协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，提供强大的网络功能；嵌入式操作系统的用户接口通过系统的调用命令向用户程序提供服务；嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预；嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中；具有良好的硬件适应性（可移植性）。

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（2）文件系统嵌入式文件系统与通用操作系统的文件系统不完全相同，主要提供文件存储、检索和更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。嵌入式文件系统通常支持

FAT32、JFFS2、Y AFFS等几种标准的文件系统，一些嵌入式文件系统还支持自定义的实时文件系统，可以根据系统的要求选择所需的文件系统，选择所需的存储介质，配置可同时打开的最大文件数等。同时，嵌入式文件系统可以方便的挂接不同存储设备的驱动程序，支持多种存储设备。嵌入式文件系统以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，如设置、修改对文件和目录的存取权限，提供建立、修改、改变和删除目录等服务，提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务。（3）图形用户接口（GUI）GUI使用户可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地操作计算机或者嵌入式系统。嵌入式GUI与PC机上的GUI 有着明显的不同，嵌入式系统的GUI要求具有轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。实现嵌入式系统中的图形界面一般采用下面的几种方法：针对特定的图形设备输出接口，自行开发相应的功能函数；购买针对特定嵌入式系统的图形中间软件包；采用源码开放的嵌入式GUI系统；使用独立软件开发商提供的嵌入式GUI产品。

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4．应用软件层．应用软件层用来实现对被控对象的控制功能，由所开发的应用程序组成，面向被控对象和用户。为方便用户操作，通常需要提供一个友好的人机界面。

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嵌入式硬件组成

外围电路

嵌入式处理器分类

1、嵌入式控制器嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又称为单片机，芯片内部集成ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时／计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器具有单片化、体积小、功耗和成本低，可靠性高等特点，约占嵌入式系统市场份额的70 ％。嵌入式微控制器品种和数量很多，典型产品有8051、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68K系列，TI 公司的MSP430系列和Motorola公司的68H12系列，以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CANBUS、LCD及众多专用嵌入式微控制器和兼容系列。特点是外设资源丰富，适合用于控制。

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2、嵌入式DSP处理器、嵌入式处理器嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor，DSP）是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最快的CPU还快10~50倍。在DSP处理器上是乘法与加法运算最基本的运算功能，除此之外，DSP处理器还用于如有限脉冲响应滤波器（Finite Impulse Responsefilter，FIR）、无限脉冲响应滤波器（Infinite Impulse Responsefilter，IIR）、离散傅利叶（Discrete Fourier Transforms）及离散余弦转换（Discrete Cosine Transforms）等一些常见算法的实现。从20世纪80年代到现在，缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。DSP处理器已发展到第5代产品，多数基于精简指令集计算（RISC）结构，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元和存储单元集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。其系统集成度极高，并将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。

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3、嵌入式微处理器、

嵌入式微处理器（Embedded Micro Processing Unit，EMPU）由通用计算机中的CPU 发展而来，嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。通常嵌入式微处理器把CPU、

ROM、RAM及I/O 等做到同一个芯片上。32位微处理器采用32位的地址和数据总线，其地址空间达到了232＝4GB。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC

系列等。属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有千种以上。（1）ARM系列）系列ARM（Advanced RISC Machine）公司的ARM微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。ARM体系结构目前发展并定义了7种不同的版本。从版本1到版本7，ARM体系的指令集功能不断扩大。ARM处理器系列中的各种处理器，虽然在实现技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。目前，70%的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机顶盒等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是ARM的授权用户，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。

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（2）MIPS系列）系列美国斯坦福大学的Hennessy教授领导的研究小组研制的MIPS （Microprocessor without Interlocked Piped Stages，无互锁流水级的微处理器）是世界上很流行的一种RISC处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。从20世纪80年代初期MIPS处理器发明到现在的这20多年里，MIPS处理器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、DVD播放等广泛的领域。和ARM公司一样，MIPS公司本身并不从事芯片的生产活动（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片，则必须得到MIPS公司的许可。

（3）PowerPC ）

PowerPC是Freescale（原Motorola）公司的产品。PowerPC RISC处理器采用了超标量处理器设计和调整内存缓冲器，修改了指令处理设计，它完成一个操作所需的指令数比CISC处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。PowerPC内核采用独特分支处理单元可以让指令预取效率大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响到其运算单元的运算效率。PowerPC RISC处理器设计了多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。这种内存分层和内存管理设计，令系统的内存访问性能非常接近调整内存，但其成本却与低速内存相近。而且PowerPC还引入了独立的分支处理器来进一步解决这个问题，这个处理单元在读入指令队列后，会找出其中的跳转指令，然后预取跳转指令所指向的新的内存地址的指令，这样就大大提高了指令预取的效率。

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4、嵌入式片上系统、嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，而且具有极高的综合性，在一个芯片内部运用VHDL等硬件描述语言，即可实现一个复杂的系统。与传统的系统设计不同，用户不需要绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产，设计生产效率高。在SOC中，绝大部分系统构件都是在系统内部，系统简洁，系统的体积和功耗小，可靠性高。SOC多是专用的，所以大部分产品都不为用户所知，比较典型的SOC产品如Philips公司的Smart XA，少数通用系列如Siemens公司的TriCore、Motorola公司的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola 联合研制的Neuron芯片等。SOC芯片已在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中广泛应用。

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嵌入式软件组成

嵌入式应用系统应用编程接口API

嵌入式实时操作系统

基本组件

功耗管理文件管理GUI

扩展组件汽车电子信息家电浏览器嵌入式数据库

操作系统内核

有线无线网络

板级支持包

嵌入式硬件层

操作系统分类：

1、按实时性分类RTOS对响应时间有非常严格的要求，当某一个外部事件或请求发生时，相应的任务必须在规定的时间内完成相应的处理。RTOS可以分为硬实时和软实时两种情形。（1）强实时系统：硬实时系统对响应时间有严格的要求，如果响应时间不能满足可能会引起系统的崩溃或致命的错误。（2）弱实时系统：软实时系统对响应时间有要求，如果响应时间不能满足，将需要支付能够接受的额外代价。※非实时系统对响应时间没有严格的要求，各个进程分享处理器，以获得各自所需要的运行时间。

2、按开发成本分类（1）商业型（2）免费型

3、按软件结构分类（1）循环轮询系统（2）事件驱动系统

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常见的嵌入式操作系统简介

嵌入式操作系统是操作系统研究领域中的一个重要分支，有许多公司在从事相关方面的研究，开发了数以百计的各具特色的嵌入式操作系统产品，其中比较有影响的系统有VxWorks、嵌入式Linux、Windows CE、μC/OS-II和PalmOS 等。1．VxWorks ．美国WindRiver System公司开发的嵌入式实时操作系统VxWorks采用基于微内核的体系结构，整个系统由四百多个相对独立、短小精练的目标模块组成，用户可以根据自己的需要选择适当的模块，进行裁减和配置。VxWorks采用GNU 类型的编译和调试器，专有的API函数，支持x86、Motorola MC68xxx、Coldfire、PowerPC、MIPS、ARM、i960等主流的32位处理器，具有良好的可靠性和卓越的实时性，是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的商业系统之一。在VxWorks操作系统中，主要包含有实时微内核Wind、I/O处理系统、文件系统、网络处理模块、虚拟内存模块VxVMI、板级支持包BSP等功能模块。其中：实时微内核Wind包括基于优先级的任务调度、任务间的通信、同步和互斥、中断处理、定时器和内存管理机制等功能。与ANSI C兼容的I/O系统包括UNIX 标准的缓冲I/O和POSIX标准的异步I/O。文件系统主要包括与MS-DOS兼容的文件系统、与RT-11兼容的文件系统、Raw Disk文件系统和SCSI磁带设备。网络处理模块能与如TCP/IP、NFS、UDP、SNMP、FTP等许多运行其他协议的网络进行通信。虚拟内存模块VxVMI主要用于对指定内存区的保护，以加强系统的安全性。板级支持包BSP由初始化和驱动程序两部分组成，用来管理硬件的功能模块，对各种板卡的硬件功能提供统一的接口。46 2．嵌入式Linux ．嵌入式嵌入式Linux（Embedded Linux）是指对标准Linux进行小型化剪裁处理之后，可固化在存储器或单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux 操作系统。常见的嵌入式Linux有μClinux、RT-Linux、Embedix和Hard Hat Linux等，具有如下特点：

●具有高性能、可裁剪的内核，其独特的模块机制使用户可以根据自己的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走，很适合于嵌入式系统的小型化的需要。

●具有完善的网络通信和文件管理机制，支持所有标准的Internet网络协议，支持

ext2，fat16, fat32, romfs等文件系统。

●可提供完整的工具链（Tool Chain），利用GNU的gcc做编译器，用gdb, kgdb, xgdb 做调试工具，能够方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。

●嵌入式Linux是开放源码的自由操作系统，用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行修改和优化。

●支持x86、ARM、MIPS、Alpha、PowerPC等多种体系结构，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术。

●几乎每一种通用程序在Linux上都能找到，具有丰富的软件资源。

●μC linux主要针对没有MMU的微处理器；RT-Linux是最早实现硬实时支持的Linux版本；Embedix采用模块化的设计方案，方便系统剪裁；Hard Hat Linux是一个嵌入式实时系统，可以针对硬件环境进行配置，以获得最佳的性能和最小的容量。

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3．Windows CE ．Windows CE是一个基于优先级的多任务嵌入式操作系统，提供了256 个优先级别，基本内核需要至少200KB的ROM，支持Win32API子集、支持多种用户界面硬件、支持多种串行和网络通信技术。Windows CE 不是一个硬实时系统。4．μC/OS-II ．μC/OS-II是一种免费、开放源代码、结构小巧、基于可抢占优先级调度的实时操作系统，其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。名称μC/OS-II来源于术语Micro-Controller Operating System（微控制器操作系统），它通常也称为MUCOS或者UCOS。μC/OS-II内核在2KB ～10KB数量级，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，主要面向中小型嵌入式系统。μC/OS-II内核提供最基本的系统服务，例如信号量、邮箱、消息队列、内存管理、中断管理等。μC/OS-II内核本身并不支持文件系统，但它具有良好的扩展性能，可以根据需要自行加入。μC/OS-II具有良好的可移植性。μC/OS-II的大部分代码都是用C语言写成的，只有与处理器的硬件相关的一部分代码采用汇编语言编写。μC/OS-II并不是一个商业实时操作系统，但μC/OS-II的稳定性和实用性却被数百个商业级的应用所验证，μC/O S-II不已在众多的商业领域中获得了广泛的应用。μC/OS-II支持ARM、PowerPC、MIPS、68k/ColdFire和x86等多种体系结构。

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嵌入式系统开发流程

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